DE3007453A1 - Spektralphotometer fuer die doppelwellenlaengen-spektrophometrie - Google Patents
Spektralphotometer fuer die doppelwellenlaengen-spektrophometrieInfo
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Description
PATENTANWÄLTE DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE · DipL-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT U-LANGENBERG
Postfach 110386 ■ Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895
Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH, D-7770 Überlingen/Bodensi
Spektralphotometer für die Doppelwellenlängen-Spektrophotometr
Die Erfindung betrifft ein Spektralphotometer für die Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie, enthaltend:
15
(a) eine Lichtquelle
(b) ein optisches System zur Erzeugung eines von der Lichtquelle ausgehenden Meßliehtbündels,
(c) einen Monochromator, auf dessen Eintrittsspalt das Meßlichtbündel geleitet wird, mit einem Wellenlängenantrieb
zum Abtasten eines Wellenlängenbereichs,
(d) Mittel zum Hindurchleiten des Meßlichtbündels durch
eine Probe und
(e) einen Detektor, der von dem durch Monochromator und
Probe hindurchgetx-etenen Meßlichtbündel beaufschlagt
ist.
Solche Spektralphotometer werden benutzt zur Bestimmung einer gesuchten Komponente in einer Probe aus der Höhe
einer für die Komponente charakteristischen Absorptions- o=> bande.
130036/0405
Normalerweise wird bei der konventionellen Spektrophotometrie die Totalabsorption der Probe bei einer
Wellenlänge durch Vergleich mit einer Referenzprobe gemessen. Es sind bei üblichen Zweistrahl-Spektralphotometern
ein Meßlichtbündel und ein Referenzlichtbündel vorgesehen, von denen das eine durch die zu untersuchende
Probe und das andere durch die Referenzprobe auf einen gemeinsamen Detektor geleitet wird, wobei die
beiden Lichtbündel durch eine Chopperanordnung ab-
"IO wechselnd wirksam werden. Bei dieser üblichen
Spektrophotometrie können Fehler durch Unterschiede in den Strahlengängen der beiden Lichtbündel, z.B. infolge
unterschiedlicher Küvetten oder unterschiedlicher Anordnungen der Küvetten, auftreten. Auch ist dabei eine
Bestimmung der gesuchten Komponente nicht mehr möglich, wenn die Probenlösung noch einen anderen Untergrund
enthält, der beispielsweise durch Trübung oder sich gegenseitig beeinflussende Komponenten hervorgerufen
wird.
Bei der Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie wird Licht bei zwei Wellenlängen abwechselnd durch eine zu untersuchende
Probe hindurchgeleitet. Dabei entspricht die eine Wellenlänge der Absorptionsbande der gesuchten
Substanz, während die andere Wellenlänge außerhalb dieser Absorptionsbande liegt und ein Referenzsignal
liefert.
Die zweite Wellenlänge wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß bei dieser Wellenlänge der Absorptionswert
der reinen Störkomponente genau so groß ist wie bei der ersten Wellenlänge. Es kann dann die gesuchte Komponente
aus dem Absorptionsspektrum der unbekannten Probe einfach
aus der Differenz der Absorption bei der ersten und der zweiten Wellenlänge bestimmt werden. Gibt es keine
Wellenlänge, bei welcher die Störkomponente genau so
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absorbiert wie bei der ersten Wellenlänge,, dann wird
für eine geeignet gewählte zweite Wellenlänge ein Faktor K entsprechend dem Verhältnis der Absorptionswerte
der Störkomponente bei der ersten Wellenlänge und
der zweiten Wellenlänge bestimmt. Bei der Untersuchung einer unbekannten Probe wird die bei der ersten Wellenlänge
gemessene Absorption mit :der-mit dem Faktor multiplizierten, bei der. zweiten --Wellenlänge gemessenen
Absorption korrigiert.
'■'
. Diese Bestimmung der gesuchten; Komponente wird bekanntermaßen
mit einem konventionellen Spektralphötometer durch Auswertung der aufgezeichneten Spektren der reinen
gesuchten Komponente, der reinen Störkomponente und einer
unbekannten Probe durchgeführt. Es werden die Spektren der beiden reinen-Komponenten aufgezeichnet. Es wird
aus dem Spektrum der gesuchten Komponente die erste Wellenlänge als Meßwellenlänge ausgewählt, die einem
Maximum einer Absorptionsbande entspricht. Es wird aus dem Spektrum der Störkomponente die zweite Wellenlänge
als eine außerhalb der Absorptionsbande liegende Wellenlänge festgelegt, bei welcher, die Störkomponente in
gleicher Weise absorbiert wie bei der vorher festgelegten ersten Wellenlänge. Es wird schließlich das
Spektrum der unbekannten Probe aufgezeichnet und die Differenz der Ordinatenwerte bei der ersten und der
zweiten Wellenlänge ausgemessen-.
Dieses Verfahren ist umständlich und zeitraubend.
- ■■ -:
Es ist weiterhin ein Spektralphotometer für die Doppelwellenlängen-Spektrophotbmetrie bekannt (Shozo
Shibata "Doppelwellenlängen-Spektrömetrie" in "Angewandte Chemie" 88(1976), Seiten 750-757), bei
O-J welchem das von einer ein kontinuierliches Spektrum
emittierenden Lichtquelle ausgehende Licht in zwei
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Strahlenbündel aufgeteilt wird. Die beiden Strahlenbündel werden auf je einen Gittermonochromator geleitet.
Der eine Gittermonochromator liefert ein Lichtbündel mit der ersten Wellenlänge, und der zweite Gittermonochromator
liefert ein Lichtbündel mit der zweiten Wellenlänge. Durch eine rotierende Sektorscheibe werden die beiden
Lichtbündel in der Folge "erstes Lichtbündel, Nullsignal, zweites Lichtbündel, Nullsignal" durch eine Probenküvette
auf einen Photomultiplier geleitet. 10
Eine ähnliche Anordnung beschreibt die Firmendruckschrift "Double-Wavelength Double-Beam Spectrophotometer-Hitachi
Model 557" der The Perkin-Elmer Corporation, Norwalk.
Dieses Spektralphotometer erleichtert die Auswertung. Es ist jedoch sehr aufwendig und erfordert zwei Gittermonochromatoren.
Gravierend ist weiter, daß der Benutzer für die automatisierte Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie
ein speziell hierfür eingerichtetes Spektralphotometer benötigt und vorhandene Geräte nicht verwenden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde mit geringstmöglichem Aufwand eine Automatisierung der Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie
zu ermöglichen. 25
Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Spektralphotometer vorgesehen, das gekennzeichnet ist
durch
(f) Mittel zum Vorgeben von zwei Wellenlängenwerten,
(g) Speichermittel zum Speichern von Signalen des Detektors,
(h) Aufschaltmittel, die von dem Wellenlängenantrieb
gesteuert sind, zum Aufschalten der bei den beiden vorgegebenen Wellenlängenwerten von dem Detektor
gelieferten Signale auf die Speichermittel und
130036/0405
(i) Mittel zur Bildung einer Linearkombination der beiden gespeicherten Signale.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Probe durch Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie
aus der Höhe einer Absorptionsbande des Absorptionsspektrums in Gegenwart einer im Bereich
dieser Absorptionsbande ebenfalls absorbierenden Störkomponente unter Verwendung eines solchen Spektralphotometers
ist gekennzeichnet durch die nachstehenden Verfahrens sehritte:
(a) Vorgabe einer ersten Wellenlänge, bei welcher die zu messende Absorptionsbande des gesuchten Bestandteils
der Probe liegt,
(b) Vorgabe einer zweiten Wellenlänge außerhalb dieser Absorptionsbande,
(c) Bestimmung des Verhältnisses der Absorptionswerte für die reine Störkomponente bei der ersten
Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge,
(d) Einstellung des Monochromators mittels des WeIlenlängenantriebs
auf die erste Wellenlänge,
(e) Aufschalten des bei der ersten Wellenlänge am
Detektor erhaltenen Signals auf die Speichermittel
zum Speichern dieses Signals, 30
(f) Einstellen des Monochromators mittels des Wellenlängenantriebs
auf die zweite Wellenlänge,
(g) Aufschalten des bei der zweiten Wellenlänge erhaltenen Signals auf die Speichermittel zum Speichern dieses
Signals,
1300 3-6/0406
(h) Linearkombinieren der gespeicherten Signale mittels
der linearkombinationsbildenden Mittel mit entgegengesetztem Vorzeichen, wobei das bei der zweiten
Wellenlänge erhaltene Signal mit dem besagten Verhältnis multipliziert wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4,6 und 7.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch Absorptionsspektren und veranschaulicht das Prinzip der Doppel-
wellenlängen-Spektrophotometrie,
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Spektralphotometers
,
20
20
Fig. 3 zeigt schematisch die linearkombinationsbildenden Mittel bei dem Spektralphotometer
von Fig. 2.
In Fig. 1 ist mit 10 ein UV-Absorptionsspektrum einer unbekannten Probe bezeichnet. Aus der Höhe der für eine
gesuchte Komponente charakteristischen Absorptionsbande soll die Konzentration der Komponente bestimmt werden.
Die Probe enthält jedoch noch eine zweite Komponente, die auch im gleichen Wellenlängenbereich absorbiert wie
die gesuchte Komponente und die deshalb als "Störkomponente" bezeichnet wird. In Fig. 1 ist mit 12 die
Absorptionsbande der gesuchten Komponente und mit 14 das Spektrum der Störkomponente bezeichnet. Es wird
zunächst mit einer bekannten Konzentration einer reinen Lösung der gesuchten Komponente die Wellenlänge bestimmt,
bei welcher die Absorptionsbande 10 ihr Maximum hat,
130036./OAOB
sofern diese Wellenlänge nicht schon sowieso bekannt ist. Es wird dann das Spektrum 14 der reinen Störkomponente
aufgezeichnet und die Wellenlänge λ außerhalb der Absorptionsbande 12 bestimmt, bei welcher die Störkomponente
genau so stark absorbiert wie bei der Wellenlänge λ · Aus dem Spektrum 10 der unbekannten Probe
kann dann die Höhe der durch die gesuchte Komponente hervorgerufenen Absorptionsbande als Differenz der
Ordinaten des Spektrums 10 bei den Wellenlängen λ
und λ bestimmt werden.
Wenn es keine Wellenlänge außerhalb der Absorptionsbande der gesuchten Komponente gibt, bei welcher die Störkomponente
genau so stark absorbiert.wie bei der Wellenlänge λ , so wird λ geeignet so gewählt, daß es außerhalb
der Absorptionsbande der gesuchten Komponente liegt und die Storkomponente dort merklich absorbiert. Es
wird aus dem Spektrum der Störkomponente ein Faktor
Ordinatenwert bei λ
K= £
Ordinatenwert bei λ
gebildet. Das Spektrum der unbekannten Probe wird dann so ausgewertet, daß die Ordinate bei um den mit dem
„ς Faktor K multiplizierten Wert der Ordinate bei
korrigiert wird. Es wird also die Linearkombination
A (Xm) - KA ( Xx)
gebildet, wenn A( X ) den Verlauf des Absorptionsspektrums wiedergibt.
Das Spektralphotometer enthält eine Lichtquelle 16 (Fig. 2) und ein optisches System 18 zur Erzeugung eines
von der Lichtquelle 16 ausgehenden Meßlichtbündels 20.
Das Meßlichtbündel 20 wird auf den Eintrittsspalt eines Monochromators 22 geleitet. Der Monochromator 22 weist
in üblicher Weise einen Wellenlängenantrieb 24 zum
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• Abtasten eines Wellenlängenbereichs auf. Es sind Mittel
zum Hindurchleiten des Meßlichtbündels durch eine Probe 26 vorgesehen. Ein Detektor 28 ist von dem durch
Monochromator 22 und Probe 26 hindurchgetretenen Meßlichtbündel 20 beaufschlagt.
Dies ist der übliche Aufbau eines Spektralphotometers und daher nicht im einzelnen beschrieben.
Das Spektralphotometer enthält Mittel 30 zum Vorgeben von zwei Wellenlängenwerten. Es sind Speichermittel
zum Speichern von Signalen des Detektors 28 sowie Aufschaltmittel 34 zum Aufschalten der bei den beiden
vorgegebenen Wellenlängenwerten von dem Detektor 28 gelieferten Signale auf die Speichermittel 32 vorgesehen.
In der Darstellung von Fig. 2 sind die Aufschaltmittel 34 als zwei Schalter 36 und 38 symbolisiert,
die von dem Wellenlängenantrieb 24 bei jeweils einer der vorgegebenen Wellenlängen geschlossen werden, wie
durch die gestrichelten Linien 40 und 42 angedeutet ist.
Es sind weiterhin Mittel 44 zur Bildung einer Linearkombination der beiden gespeicherten Signale vorgesehen.
in dem in Fig. 1 dargestellten Fall, wo die Störkomponente
bei λ genau so stark absorbiert wie bei λ , können die linearkombinierenden Mittel 44 einfach
differenzbildende Mittel sein, also bei analogen Signalen
etwa ein Differenzverstärker. Wenn die vorerwähnte
Bedingung nicht erfüllt ist, können die linearkombinierenden Mittel nach Art von Fig. 3 aufgebaut sein:
Differenzbildende Mittel 46, die in Fig. 3 als Differenzverstärker dargestellt sind, erhalten das eine gespeicherte
Signal A( λ ) direkt an einem Eingang. Das
m
andere gespeicherte Signal A( Xr) liegt an Multipliziermitteln
48 zusammen mit einem Faktor K. Der Ausgang der Multipliziermittel 48 liegt an dem anderen
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Eingang der differenzbildenden Mittel 46. Am Ausgang 50
der Differenzbildenden Mittel 46 erscheint dann die Linearkombination
A( xm) - KA( λΓ) .
Der Faktor K kann automatisch bestimmt werden.
Zu diesem Zweck sind quotientenbildende Mittel 52 vorgesehen,
auf welche die in den Speichermitteln 32 gespeicherten Signale aufschaltbar sind zur Bildung eines
Verhältnissignals, welches das Verhältnis der Signale des Detektors 28 bei der ersten und der zweiten Wellenlänge,
d.h. λ und λ wiedergibt. Es sind Mittel 54 zum
Speichern dieses Verhältnissignals und Mittel 56 zum Aufschalten des gespeicherten Verhältnissignals als
Faktor K auf die Multipliziermittel 48 vorgesehen.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines
Bestandteils einer Probe durch Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie
aus der Höhe einer Absorptionsbande des Absorptionsspektrums in Gegenwart einer im Bereich
dieser Absorptionsbande ebenfalls absorbierenden Storkomponente unter Verwendung der vorstehend beschriebenen
Spektralphotometers ist gekennzeichnet durch die nachstehenden Verfahrensschritte:
Durch die Mittel 30 wird eine erste Wellenlänge Xm vorgegeben,
bei welcher die zu messende Absorptionsbande 12
UU des gesuchten Bestandteils der Probe 26 liegt. Es wird
weiterhin eine zweite Wellenlänge X außerhalb dieser Absorptionsbande 12 gewählt, und es wird das Verhältnis K
der Absorptionswerte für die reine Störkomponente bei der ersten Wellenlänge λ und der zweite Wellenlänge
λ bestimmt. Wenn möglich, wie in Fig. 1, wird die
zweite Wellenlänge λ so gewählt, daß dieses Verhältnis eins ist, d.h. die Absorptionswerte gleich sind.
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Der Monochromator 22 wird mittels des Wellenlängenantriebs
24 auf die erste Wellenlänge λ eingestellt. Das bei der ersten Wellenlänge λ am Detektor 28 erhaltene
Signal wird durch die Aufschaltmitte1 34 auf die Speichermittel 32 zum Speichern dieses Signals aufgeschaltet.
Dann wird der Monochromator 22 mittels des Wellenlängenantriebs 24 auf die zweite Wellenlänge
X„ eingestellt. Das bei der zweiten Wellenlänge λ erhaltene
Signal wird durch die Aufschaltmittel 34 auf die Speichermittel zum Speichern dieses Signals aufgeschaltet.
Die Reihenfolge, mit welcher die erste und die zweite Wellenlänge angefahren und die Signale aufgeschaltet
werden, kann natürlich auch umgekehrt sein.
Die Bestimmung des Verhältnisses K der Absorptionswerte bei der ersten und der zweiten Well·
umfaßt folgende Verfahrensschritte:
bei der ersten und der zweiten Wellenlänge λ und λ
Eine Lösung mit reiner Storkomponente wird als Probe
in das Spektralphotometer eingesetzt. Der Monochromator 22 wird mittels des Wellenlängenantriebs 24 auf die
erste Wellenlänge λ eingestellt. Das bei der ersten Wellenlänge λ erhaltene Signal des Detektors 28 wird
im Speicher 32 gespeichert. Dann wird der Monochromator 22 mittels des Wellenlängenantriebs auf die zweite
Wellenlänge λ eingestellt. Das bei der zweiten Wellenlänge λ erhaltene Signal des Detektors 28 wird erfaßt.
Durch die quotientenbildenden Mittel 52 wird ein Verhältnissignal gebildet, welches das Verhältnis der
bei den beiden Wellenlängen λ und λ erhaltenen Signale wiedergibt. Dieses Verhältnissignal wird als Paktor K
zur Bildung der Linearkombination A(X )-ΚΑ(λ ) in den
"" linearkombinierenden Mitteln 44 bei der Messung einer zu
untersuchenden Probe gespeichert. Der Schalter 58 in Fig. 2, der nach der Messung mit der reinen Storkomponente
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geöffnet wird, soll andeuten, daß der gespeicherte Wert K bei den anschließenden Messungen unbekannter Proben unverändert
bleibt.
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-AI-Leerseite
Claims (7)
- PatentansprücheI' 1 J Spektralphotometer für die Doppelwellenlängen-—^ Spektrophotometrie, enthaltend: 10(a) eine Lichtquelle(b) ein optisches System zur Erzeugung einesvon der Lichtquelle ausgehenden Meßlichtbündels, 15(c) einen Monochromator, auf dessen Eintrittsspalt das Meßlichtbündel geleitet wird, mit einem Wellenlängenantrieb zum Abtasten eines Wellenlängenbereichs /(d) Mittel zum Hindurchleiten des Meßlichtbündels durch eine Probe und(e) einen Detektor, der von dem durch Monochromator und Probe hindurchgetretenen Meßlichtbündelbeaufschlagt ist,gekennzeichnet durch(f) Mittel (30) zum Vorgeben von zwei Wellenlängenwerten ( χ , χ) ,(g) Speichermittel (32) zum Speichern von Signalendes Detektors (28), 35130036/04.05(h) Aufschaltmittel (34), die von dem Wellenlängenantrieb (24) gesteuert sind, zum Aufschalten der bei den beiden vorgegebenen Wellenlängenwerten (λ , λ ) von dem Detektor (28) gelieferten Signale auf dieSpeichermittel (32) und(i) Mittel (44) zur Bildung einer Linearkombinationder beiden gespeicherten Signale. 10
- 2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (44) zur Bildung der Linearkombination differenzbildende Mittel sind.
- 3. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (44) zur Bildung der Linearkombination(I1) Multipliziermittel (48) zur Multiplikationmit einem Faktor (K) unddes einen gespeicherten Signals (A( X))(i_) differenzbildende Mittel (46) zur Bildungder Differenz des anderen gespeicherten Signals (A(X )) und des mit dem Faktor(K) multiplizierten einen gespeicherten Signalsenthalten.
30 - 4. Spektralphotometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch(a) quotientenbildende Mittel (52), auf welche diein den Speichermitteln (32) gespeichertenSignale aufschaltbar sind zur Bildung eines Verhältnissignals, welches das Verhältnis130036/0405der Signale des Detektors (28) bei der erstenund der zweiten Wellenlänge ( λ bzw. λ )
wiedergibt,(b) Mittel (54) zum Speichern dieses Verhältnissignals(c) Mittel (56) zum Aufschalten des gespeicherten Verhältnissignals als Faktor (K) auf die
Multipliziermittel (48). - 5. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einesBestandteils einer Probe durch Doppelwellenlängen-Spektrophotometrie aus der Höhe einer Absorptionsbande des Absorptionsspektrums in Gegenwart einer
im Bereich dieser Absorptionsbande ebenfalls
absorbierenden Storkomponente, unter Verwendung
eines Spektralphotometers nach Anspruch 1,gekennzeichnet durch die nachstehenden Verfahrensschritte:(a) Vorgabe einer ersten Wellenlänge (λ ), bei
welcher die zu messende Absorptionsbande (12) des gesuchten Bestandteils der Probe (26)liegt,(b) Vorgabe einer zweiten Wellenlänge ( λ )außerhalb dieser Absorptionsbande (12),
30(c) Bestimmung des Verhältnisses (K) der
Absorptionswerte für die reine Störkomponente bei der ersten Wellenlänge und der zweitenWellenlänge,
351300-36/0405(d) Einstellung des Monochromator^ (22) mittels des Wellenlängenantriebs (24) auf die erste Wellenlänge ( xm),(e) Aufschalten des bei der ersten Wellenlänge( χ ) am Detektor (28) erhaltenen Signals auf die Speichermittel (32) zum Speichern dieses Signals,(f) Einstellen des Monochromator (22) mittels des Wellenlängenaritriebs (24) auf die zweite Wellenlänge C Xr>,(g) Aufschalten des bei der zweiten Wellenlänge "CX ) erhaltenen Signals auf die Speichermittel· (32) zum Speichern dieses Signals,(h) Linearkombinieren der gespeicherten Signalemittels der linearkömbinationsbildenden Mittel (44) mit entgegengesetztem Vorzeichen,wobei das bei der zweiten Wellenlänge ( χ ) erhaltene Signal mit dem besagten Verhältnis multipliziert wird'.- ' - 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wellenlänge ( λ ) so gewählt wird, daß bei dieser zweiten Wellenlänge ( λ ) der Absorptionswert der reinen Störkomponente gleich dem Absorptionswert der Störkomponente bei der erstender Absorptionswerte eins wird.Wellenlänge ( X ) ist, wodurch das besagte Verhältnis13O036/0A05
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Verhältnisses (K) der Absorptionswerte für die reine Störkomponente bei der ersten und der zweiten Wellenlänge ( λ , λ ) folgende Verfahrensschritte umfaßt:(C1) Einsetzen einer Lösung mit reiner Störkomponente als Probe (26) in das Spektralphotometer ,(C2) Einstellen des Monochromators (22)mittels des Wellenlängenantriebs (24) auf die erste Wellenlänge ( λ )/(C3) Speichern des bei der ersten Wellenlänge ( λ ) erhaltenen Signals des Detektors (28),(c.) Einstellen des Monochromators (22) mittels des Wellenlängenantriebs (24)auf die zweite Wellenlänge (λ )/(Cc) Erfassen des bei der zweiten Wellenlänge ( λ r) erh<
Detektors (28),länge ( λ ) erhaltenen Signals desErzeugung eines Verhältnissignals, welches das Verhältnis der bei den beiden Wellenlängen (χ , X) erhaltenen Signale wiedergibt undSpeichern dieses Verhältnissignals (K) zur Bildung der Linearkombination bei der Messung einer zu untersuchenden Probe.130036/0405
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1981
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- 1981-02-26 JP JP2623881A patent/JPS56153244A/ja active Pending
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